오스테나이트
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1. 개요
오스테나이트는 면심입방격자 구조(FCC)를 가지는 철의 동소체로, 고온에서 체심입방격자 구조(BCC)의 α철이 상전이하여 생성된다. 오스테나이트는 탄소 및 다른 원소를 비교적 많이 고용할 수 있으며, 니켈, 질소, 망가니즈, 팔라듐 등의 오스테나이트 생성 원소가 첨가되면 영역이 넓어지고, 규소, 몰리브데넘, 타이타늄, 바나듐 등의 페라이트 생성 원소가 첨가되면 좁아진다. 오스테나이트화는 철 또는 강을 페라이트에서 오스테나이트로 결정 구조가 변하는 온도까지 가열하는 것을 의미하며, 오스템퍼링은 금속을 오스테나이트 영역까지 가열한 후 특정 온도 범위에서 어닐링하여 기계적 특성을 향상시키는 경화 공정이다. 오스테나이트는 냉각 속도에 따라 펄라이트, 마르텐사이트 등 다양한 상으로 변태하며, 탄소강의 경우 오스테나이트의 분해는 최종 미세구조를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
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| 오스테나이트 |
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2. 특징
오스테나이트는 면심입방격자(FCC) 구조를 가지며, 상온 상압의 철(α철, 체심입방격자(BCC) 구조, 강자성)이 고온에서 상전이하여 생성된다. γ철은 비교적 많은 다른 원소를 고용할 수 있으며, γ철에 다른 원소가 고용된 것을 γ고용체, 또는 오스테나이트라고 부른다.[22] 오스테나이트는 1147℃에서 최대 용해량(질량분율) 2.14%까지 탄소를 고용할 수 있으며, 이 값은 강과 주철의 경계를 이룬다.
탄소는 면심입방격자 구조 내에 침입형으로 고용된다. 탄소 함유량이 증가하면 오스테나이트 영역의 온도 범위가 넓어지는데, 이는 탄소 고용으로 오스테나이트가 열역학적으로 안정화되기 때문이다. 니켈(Ni), 질소(N), 망가니즈(Mn), 팔라듐(Pd) 등은 오스테나이트 영역을 넓히는 '오스테나이트 생성 원소'이다. 반대로, 규소(Si), 몰리브데넘(Mo), 타이타늄(Ti), 바나듐(V) 등은 오스테나이트 영역을 좁히는 '페라이트 생성 원소'이다.
2. 1. 상전이
저온의 체심입방격자(BCC)에서 오스테나이트의 면심입방격자(FCC)로의 변태(구조상전이)가 일어나는 911℃를 A₃점이라 하며, 이 변태를 A₃변태라고 한다.[23]체심입방격자의 원자 공간충진율은 68%이고, 면심입방격자는 74%로 면심입방격자가 더 높다. 즉, 원자 간 간격이 적기 때문에 A₃변태가 일어날 때 가열할 때는 부피가 감소하고 냉각할 때는 증가한다.[23]
실제로는 냉각할 때와 가열할 때 A₃점이 약간 다르며, 가열할 때는 911℃보다 약간 높은 온도에서, 냉각할 때는 911℃보다 약간 낮은 온도에서 변태가 일어난다. 따라서 가열할 때와 냉각할 때 온도를 구분할 때는, 가열할 때의 A₃변태(오스테나이트 변태)가 일어나는 온도를 Ac₃점, 냉각할 때의 A₃변태(페라이트 변태)가 일어나는 온도를 Ar₃점이라고 기록한다.[23]
오스테나이트 상태의 철을 급속히 냉각하면 마르텐사이트 상태가 된다. 이처럼 가열 후 급냉하여 마르텐사이트상으로 만드는 (마르텐사이트 변태) 행위를 담금질이라고 한다. 철을 담금질할 때는 오스테나이트가 되는 A₃변태점 이상으로 가열해야 한다.
순도 100%의 철의 오스테나이트를 더 가열하여 1392℃를 초과하면 델타페라이트(δ철)로 변화한다. 이 온도를 A₄점이라고 한다.
3. 오스테나이트화
철, 철 기반 금속 또는 강을 페라이트에서 오스테나이트로 결정 구조가 변하는 온도까지 가열하는 것을 의미한다.[3] 오스테나이트의 더 열린 구조는 탄소강에서 철 탄화물로부터 탄소를 흡수할 수 있게 한다. 불완전한 초기 오스테나이트화는 매트릭스에 용해되지 않은 탄화물을 남길 수 있다.[4]
일부 철 금속, 철 기반 금속 및 강의 경우 오스테나이트화 단계에서 탄화물이 존재할 수 있다. 이에 일반적으로 사용되는 용어는 '''이상 오스테나이트화'''이다.[5]
4. 오스템퍼링
오스템퍼링은 철 기반 금속의 기계적 특성을 향상시키는 경화 공정이다. 금속을 철-시멘타이트 상태도의 오스테나이트 영역까지 가열한 다음, 300°C에서 375°C 온도 범위의 염욕 또는 기타 열 추출 매체에 담금질한다. 오스테나이트가 베이나이트 또는 오스페라이트(베이나이트 페라이트 + 고탄소 오스테나이트)로 변할 때까지 이 온도 범위에서 금속을 어닐링한다.[6]
오스테나이징 온도를 변경함으로써 오스템퍼링 공정은 다르고 원하는 미세구조를 생성할 수 있다.[7] 더 높은 오스테나이징 온도는 오스테나이트의 탄소 함량을 높일 수 있는 반면, 더 낮은 온도는 더 균일한 오스템퍼링 구조 분포를 생성한다.[7] 오스템퍼링 시간의 함수로서 오스테나이트의 탄소 함량이 확립되었다.[8]
5. 탄소강에서의 거동
오스테나이트는 섭씨 912도에서 체심입방(BCC) 구조에서 면심입방(FCC) 구조로 상전이하는 감마철(γ철)의 형태이다. γ철은 비교적 많은 다른 원소를 고용할 수 있으며,[20] γ철에 다른 원소가 고용된 것을 '''γ고용체''' 또는 '''오스테나이트'''라고 부른다.[22] 오스테나이트는 부드럽고 연성이 있지만, 훨씬 더 많은 탄소(섭씨 1146도에서 최대 2.03% 질량)를 용해할 수 있다. 이러한 감마철 형태는 병원 및 식품 서비스 장비 제작에 주로 사용되는 스테인리스강에 존재한다.
오스테나이트가 냉각되면 탄소는 오스테나이트에서 확산되어 탄소가 풍부한 탄화철(세멘타이트)을 형성하고, 탄소가 부족한 페라이트를 남긴다. 합금 조성에 따라 페라이트와 세멘타이트의 층상 구조인 펄라이트가 형성될 수 있다. 냉각 속도가 매우 빠르면 탄소가 확산될 시간이 없어 마르텐사이트 변태를 통해 체심 정방정계 구조(BCT)인 마르텐사이트로 변태된다. 냉각 속도는 마르텐사이트, 페라이트, 세멘타이트의 상대적 비율을 결정하며, 이는 강철의 경도, 인장강도 등 기계적 특성을 결정한다.
5. 1. 급냉 시 문제점 및 해결
두꺼운 단면을 급냉하면 재료에 가파른 열 기울기가 발생한다. 열처리 부품의 외층은 더 빨리 냉각되고 수축되어 장력과 열 변형을 받는다. 높은 냉각 속도에서 오스테나이트는 더 단단한 마르텐사이트로 변태되며, 낮은 변형률에서 균열이 발생한다. 체적 변화(마르텐사이트는 오스테나이트보다 밀도가 낮다)[9]도 응력을 유발한다. 부품 내부와 외부의 변형률 속도 차이로 인해 외부에 균열이 생길 수 있어, 더 느린 냉각 속도를 사용해야 한다. 텅스텐 합금은 탄소 확산을 늦추고 체심 정방정계 구조(BCT) 동소체 변태를 낮은 온도에서 발생시켜 균열을 방지한다. 이러한 재료는 경화성이 증가했다고 한다. 담금질 후 템퍼링은 일부 취성 마르텐사이트를 템퍼링된 마르텐사이트로 변환시킨다. 경화성이 낮은 강철은 담금질 시 상당량의 오스테나이트가 미세구조에 남아 내부 응력으로 인해 갑작스러운 파괴가 발생하기 쉽다.5. 2. 오스테나이트 분해와 탄화물
오스테나이트가 냉각되면 탄소는 오스테나이트에서 확산되어 탄소가 풍부한 탄화철(세멘타이트)을 형성하고 탄소가 부족한 페라이트를 남긴다. 합금의 조성에 따라 페라이트와 세멘타이트의 층상 구조인 펄라이트가 형성될 수 있다. 냉각 속도가 매우 빠르면 탄소가 확산될 시간이 충분하지 않아 합금은 격자 왜곡이 큰 마르텐사이트 변태를 경험하며, 이때 체심 정방정계 구조(BCT)인 마르텐사이트로 변태된다. 냉각 속도는 마르텐사이트, 페라이트 및 세멘타이트의 상대적인 비율을 결정하며, 따라서 경도 및 인장강도와 같은 강철의 기계적 특성을 결정한다.[9]오스테나이트의 분해는 강철의 최종 미세구조를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 이 변태의 동역학은 재료에 존재하는 탄화물의 형태에 크게 영향을 받는다. 예를 들어, 조대한 탄화물의 존재는 느린 용해 동역학으로 인해 임계간 어닐링 동안 오스테나이트 형성 속도를 늦출 수 있다.[10] 페라이트와 세멘타이트의 교대층으로 구성된 판상 구조인 펄라이트는 오스테나이트로부터 협동적인 핵 생성 및 성장 과정을 통해 형성된다. 이러한 층의 두께는 강철의 기계적 특성에 직접적인 영향을 미친다.[11]
오스테나이트 분해는 냉각 속도의 영향을 받으며, 이는 탄화물의 형태와 최종 강철 구조에 영향을 미친다. 느린 냉각 속도는 결정계면에서 조대한 세멘타이트 입자의 발달을 허용하는 반면, 빠른 냉각 속도는 미세한 펄라이트 콜로니의 형성을 촉진한다. 특히 코일링 온도는 탄화물 형태에 상당한 영향을 미친다. 낮은 코일링 온도(공석 온도 미만)는 미세한 펄라이트 형성을 촉진하는 반면, 더 높은 온도는 조대한 세멘타이트 형성을 촉진한다.[12] 탄화물 형태의 이러한 차이는 후속 열처리 중 오스테나이트 형성 및 분해 속도와 온도에 영향을 미친다.[13]
6. 주철에서의 거동
백색 주철(탄화철, 즉 시멘타이트를 함유하지만 비결합 탄소는 함유하지 않음)을 727°C 이상으로 가열하면 일차 시멘타이트 결정 내에 오스테나이트가 생성된다.[14] 이러한 백색 주철의 오스테나이트화는 페라이트와의 계면에서 일차 시멘타이트에서 발생한다.[14] 시멘타이트에서 오스테나이트 결정이 형성될 때, 이는 시멘타이트 결정층 표면을 따라 배향된 판상 클러스터로 나타난다.[14] 오스테나이트는 시멘타이트에서 페라이트로의 탄소 원자 확산에 의해 형성된다.[14][15]
7. 저온 안정화
망간(Manganese)과 니켈(Nickel)과 같은 특정 합금 원소를 첨가하면 오스테나이트 구조가 안정화되어 저합금강의 열처리가 용이해진다. 오스테나이트계 스테인리스강처럼 합금 함량이 매우 높으면 상온에서도 안정적이다. 반면, 실리콘(Silicon), 몰리브덴(Molybdenum), 크롬(Chromium)과 같은 원소는 오스테나이트를 불안정하게 만들어 공융 반응 온도를 높인다.[20]
탄소 함유량이 증가하면 오스테나이트 영역의 온도 범위가 넓어진다. 이는 탄소를 고용함으로써 오스테나이트가 열역학적으로 안정화되기 때문이다. 니켈(Ni), 질소(N), 망간(Mn), 팔라듐(Pd)이 고용되면 오스테나이트 영역이 넓어지는데, 이러한 원소를 '''오스테나이트 생성 원소'''라고 한다. 반대로, 실리콘(Si), 몰리브데넘(Mo), 타이타늄(Ti), 바나듐(V)이 고용되면 오스테나이트 영역이 좁아지며, 이러한 원소는 '''페라이트 생성 원소'''라고 한다.[22]
7. 1. 박막
오스테나이트는 벌크 금속 형태에서는 910°C 이상에서만 안정하다. 그러나, fcc 전이 금속은 면심입방(fcc) 또는 다이아몬드 입방 구조 위에 성장될 수 있다.[16] 다이아몬드 (100) 면 위에 오스테나이트의 에피택셜 성장은 격자 정합과 다이아몬드 (100) 면의 대칭성이 fcc이기 때문에 가능하다. 변형된 다층막의 임계 두께가 단층보다 크기 때문에 γ-철의 단층 이상을 성장시킬 수 있다.[16] 결정된 임계 두께는 이론적 예측과 거의 일치한다.[16]8. 변태와 퀴리 점
많은 자성을 띠는 철 합금에서 자성체가 자성을 잃는 온도인 퀴리 온도는 오스테나이트 변태가 일어나는 온도와 거의 일치한다. 이러한 현상은 오스테나이트의 상자성 때문이며, 마르텐사이트[17]와 페라이트[18][19]는 강한 강자성을 띤다.
9. 열-광학 방출
열처리 과정에서 대장장이는 철-탄소계의 상 변화를 유도하여 재료의 기계적 특성을 제어하는데, 이때 종종 풀림, 담금질, 템퍼링 공정을 사용한다.[1] 이러한 맥락에서, 가공물에서 방출되는 빛의 색깔, 즉 흑체 복사는 온도를 측정하는 근사적인 척도가 된다.[1] 온도는 종종 작업물의 색온도를 관찰하여 측정하는데, 진한 체리 레드에서 오렌지 레드로의 변화(815°C~871°C)는 중탄소강과 고탄소강에서 오스테나이트가 형성됨을 나타낸다.[1] 가시광선 스펙트럼에서 이러한 광채는 온도가 증가함에 따라 밝기가 증가한다.[1] 체리 레드일 때 광채는 가장 낮은 강도에 가까우며 주변 조명에서는 보이지 않을 수 있다.[1] 따라서 대장장이는 광채의 색깔을 정확하게 판단하기 위해 일반적으로 어두운 조건에서 강철을 오스테나이트화한다.[1]
참조
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